第11期 郑新港等：变质量流动吸附床内的速度分布 ·1413· 得到的，对速度分布及其演化的理论研究较少，进而 床内的传递现象进行了初步探讨，并对该二维模 导致不能定性或定量地对吸附床内气体的速度分布 型进行了验证.二维模型的建立及求解为吸附床 进行理论研究.一方面是由于传统的变压吸附模拟 结构设计和参数优化奠定了基础.本文的目的是 都是建立在活塞流假设上的，模型中没有考虑气体 在前文⑨研究基础上，深入研究轴向流吸附床的 速度的径向分布；另一方面，吸附床内的分离过程是 速度分布现象，揭示吸附床内部的速度分布规律， 流动、传热和传质等多个复杂过程的耦合，涉及床层 为吸附床结构优化和采取合理的均布措施提出理 尺度和颗粒尺度，建立并求解相应的二维或三维模 论指导 型比较困难.一些研究者采用计算流体力学方法研 究吸附床内部的流动分布.例如：田津津等对吸 1数学模型及计算方法 附床入口部分的气体流动进行了模拟研究及分析： 1.1物理模型 李剑锋等对径向流吸附床流场进行了模拟研究： 针对变压吸附空分制取较高浓度氧气的过程进 钟思青等网对固定床的流场进行了数值模拟，并提 行研究，由于吸附床为圆柱形轴对称结构，所以以吸 出了一些均布措施. 附床轴线为对称轴建立如图1所示物理模型.图1 值得指出的是，上述的模拟研究都没有考虑或 给出了吸附床轴线以上的结构，其中，为径向坐标， 者没有涉及吸附引起的变质量流动，而仅仅当作一 z为轴向坐标，A1~A3和M为辅助线和点.吸附床 般的固定床处理，那么将其结论应用到流体质量一 直径80mm,长度500mm,其中进气口(in)、出气口 直变化的吸附床中是值得商榷的，因为这有可能导 (out)直径为8mm,两个端部死空间高度分别为 致模拟值偏离实际物理现象，无法揭露本质现象. h,=16mm,h2=14mm.吸附床内装填各向同性的 另外，在一些二维数值研究中，虽然涉及了吸附引起 球形LiX沸石分子筛，直径为1.6mm.吸附分离过 的变质量的流动，但是也都有各自的局限性，如没考 程由升压、吸附、降压和反吹四个基本阶段构成.由 虑气体可压缩性以及吸附床死空间回 于氧、氩在沸石分子筛上表现出非常接近的吸附特 为此，笔者在文献9]中采用了二维模型研究 性，为减少模型中方程个数，认为空气仅由氧、氮两 变压吸附循环过程，综合考虑了各个因素，对吸附 种气体构成（氧体积：氮体积=21：79）. 30mm 20 mm r= 死空间1 光2 轴线 吸附剂 出口 图1物理模型 Fig.1 Physical model 1.2数学模型 9=— (2) 1.2.1吸附过程的传质推动力模型 1+∑bPE 氧氮分子在沸石分子筛颗粒内的传质属于大孔 扩散控制过程，传质阻力主要来自气体在颗粒大孔 K=ke(停)，=ke(停) (3) 内的扩散阻力，其传质速率可由线性驱动力模型 (linear driving force model)表示： 式中P:P为不同组分气体的分压力，kPa;k、k2、k =k,(q-9） 和k,为Langmuir参数：T为温度，K. (1) at 1.2.3组分方程 式中：q:为固相气体浓度，mol*kg':q:气体平衡吸 a(spy:) 附量，mol.kg1:k,为质量传质系数，s1;t为时间，s. +(psy:v)-V (D:Vpey:)+S:=0 1.2.2吸附等温线方程 (4) 气体吸附等温线采用双组分的Langmuir方程 (5) 计算，其方程如下： S.=(1-6)pM at第 11 期 郑新港等: 变质量流动吸附床内的速度分布 得到的，对速度分布及其演化的理论研究较少，进而 导致不能定性或定量地对吸附床内气体的速度分布 进行理论研究． 一方面是由于传统的变压吸附模拟 都是建立在活塞流假设上的，模型中没有考虑气体 速度的径向分布; 另一方面，吸附床内的分离过程是 流动、传热和传质等多个复杂过程的耦合，涉及床层 尺度和颗粒尺度，建立并求解相应的二维或三维模 型比较困难． 一些研究者采用计算流体力学方法研 究吸附床内部的流动分布． 例如: 田津津等［6］对吸 附床入口部分的气体流动进行了模拟研究及分析; 李剑锋等［7］对径向流吸附床流场进行了模拟研究; 钟思青等［8］对固定床的流场进行了数值模拟，并提 出了一些均布措施． 值得指出的是，上述的模拟研究都没有考虑或 者没有涉及吸附引起的变质量流动，而仅仅当作一 般的固定床处理，那么将其结论应用到流体质量一 直变化的吸附床中是值得商榷的，因为这有可能导 致模拟值偏离实际物理现象，无法揭露本质现象． 另外，在一些二维数值研究中，虽然涉及了吸附引起 的变质量的流动，但是也都有各自的局限性，如没考 虑气体可压缩性以及吸附床死空间［9］． 为此，笔者在文献［9］中采用了二维模型研究 变压吸附循环过程，综合考虑了各个因素，对吸附 床内的传递现象进行了初步探讨，并对该二维模 型进行了验证． 二维模型的建立及求解为吸附床 结构设计和参数优化奠定了基础． 本文的目的是 在前文［9］研究基础上，深入研究轴向流吸附床的 速度分布现象，揭示吸附床内部的速度分布规律， 为吸附床结构优化和采取合理的均布措施提出理 论指导． 1 数学模型及计算方法 1. 1 物理模型 针对变压吸附空分制取较高浓度氧气的过程进 行研究，由于吸附床为圆柱形轴对称结构，所以以吸 附床轴线为对称轴建立如图 1 所示物理模型． 图 1 给出了吸附床轴线以上的结构，其中 r 为径向坐标， z 为轴向坐标，A1 ～ A3 和 M 为辅助线和点． 吸附床 直径 80 mm，长度 500 mm，其中进气口( in) 、出气口 ( out) 直径为 8 mm，两个端部死空间高度分别为 h1 = 16 mm，h2 = 14 mm． 吸附床内装填各向同性的 球形 LiX 沸石分子筛，直径为 1. 6 mm． 吸附分离过 程由升压、吸附、降压和反吹四个基本阶段构成． 由 于氧、氩在沸石分子筛上表现出非常接近的吸附特 性，为减少模型中方程个数，认为空气仅由氧、氮两 种气体构成( 氧体积∶ 氮体积 = 21∶ 79) ． 图 1 物理模型 Fig． 1 Physical model 1. 2 数学模型 1. 2. 1 吸附过程的传质推动力模型 氧氮分子在沸石分子筛颗粒内的传质属于大孔 扩散控制过程，传质阻力主要来自气体在颗粒大孔 内的扩散阻力，其传质速率可由线性驱动力模型 ( linear driving force model) 表示: qi t = ki ( q* i － qi ) ( 1) 式中: qi为固相气体浓度，mol·kg － 1 ; q* i 气体平衡吸 附量，mol·kg － 1 ; ki为质量传质系数，s － 1 ; t 为时间，s． 1. 2. 2 吸附等温线方程 气体吸附等温线采用双组分的 Langmuir 方程 计算，其方程如下: q* i = Kipi 1 + ∑ n k = 1 bk pk ( 2) Ki = k1 ( exp k2 ) T ，bk = k3 ( exp k4 ) T ( 3) 式中: pi、pk为不同组分气体的分压力，kPa; k1、k2、k3 和 k4为 Langmuir 参数; T 为温度，K． 1. 2. 3 组分方程 ( ερfyi ) t + Δ ·( ρfεyiv) － Δ ( Di Δ ρfyi ) + Si = 0 ( 4) Si = ( 1 － ε) ρpMi qi t ( 5) ·1413·